水工混凝土结构材料学科发展.docVIP

水工混凝土结构与材料学科发展 一、引言 水工混凝土结构与材料是一个综合性学科，研究对象是水利水电工程中的建筑物，分为水工结构和水工材料两个领域。受篇幅限制，本专题报告重点评述有关高混凝土坝的形式、变形、强度、稳定分析和安全评价，以及水工材料的学科发展。 混凝土坝规模大，施工周期长，受自然和施工条件与过程的制约，结构和基础内部存在着许多现有科技手段尚不能察明的不确定因素，设计和施工在相当大的程度上仍需大量借鉴经验类知识，每一个大型水工建筑物的设计和施工都会遇到新的挑战，这是水工结构学科发展的特点。同时，水工结构是一门强交叉性学科。可以说，没有现代计算机、网络、先进的勘测、试验和监测技术手段的发展，就没有学科今天的发展。 自 20 世纪 80 年代以后，我国筑坝水平有突飞猛进的提高，很多水工建筑物的规模已跃居世界第一位，一些被世界坝工权威、专家定为“难以克服”的技术难题也已被相继征服，我国已成为世界坝工建设的中心。随着西部大开发的发展，许多世界级高难度的大型和超大型水利枢纽工程已开始或着手兴建，为学科提出了一系列迫切需要解决的问题。中华人民共和国成立 50 多年来，已建的水工建筑物正经历着老化过程，部分工程已处于病险期。水工结构与材料学科面临着崭新的机遇和严峻的挑战。 二、国内外发展现状和主要成果 （一）国外混凝土坝研究主要进展 由于综合国力和整体科技水平上的差距，从国际上看，欧美、日本各国的水利水电开发程度在 20 世纪已经达到很高的水平，在高坝设计与施工方面曾取得很大的进展。当前，在发达国家，高坝大库的兴建已不多见，混凝土坝已不再是他们的重点研究方向。然而，拱坝、重力坝、碾压混凝土坝这几种高混凝土坝常用的坝型，以及胶凝砾石坝都是我国从国外引进的。涉及固体力学、混凝土力学、岩石力学、土力学的动静力本构关系和数值计算方法的原创性成果大多源于欧美国家。美国、瑞士和日本等国家近年来开展了对大坝抗震安全评价的研究。目前，发展中国家的坝工建设正方兴未艾，这些国家所取得的成就和经验教训值得我国重视，国际上已提出了碾压混凝土坝可以建到任何高度的设想，巴基斯坦待建的 Basha 坝向 300m 级特高碾压混凝土坝提出的挑战也值得我国关注。 （二）近年来国内研究主要成果述评 1 ．高拱坝技术 二滩水电站的拦河大坝为抛物线形双曲拱坝，坝高 240m ，坝底厚度 55 ， 74m ，是目前我国已建成的最高拱坝，世界第三高双曲拱坝，在建的和待建的特高拱坝有世界第一高的锦屏一级（ 303m ）、小湾（ 292m ）、拉西瓦（ 250m ）、溪洛渡（ 273m ）、白鹤滩（ 275m ）、虎跳峡（ 278m ）等双曲拱坝。我国在高拱坝的建设方面已步人世界前列。 在应用基础理论研究方面，大体积的全级配大坝混凝土强度试验，取得了一些成果，但因成本过高，设备条件有限，试件个数少，材料不均匀性大，成果离散性大，因而尚难建立新的实用本构关系。近期全级配大坝混凝土动力性能预静载动态试验取得了新的成果，三维动态细观力学、混凝土 CT 试验等都有所进展，促进了人们对混凝土中裂纹开展机理的认识过程。混凝土的断裂力学和损伤力学模型及各种组合模型、虚拟裂缝模型、钝裂缝带模型等已能应用到水工结构分析。其他还有新的混凝土非局部化模型及随机格构模型，都有引进和改进应用。但由于模型复杂，材料参数与常规试验不直接配套，自身试验基础相对薄弱，用于复杂的水工结构尚未被工程界普遍接受。 基于拱梁分载法的拱坝体形优化和基于有限元方法的大体积混凝土温控仿真理论、方法和软件日臻成熟，应用普遍。混凝土坝的三维整体动静力非线性有限元应力变形分析、应力与渗流耦合以及仿真分析在重大工程中已普遍使用；在大坝与基础的联合作用分析、基础和坝肩稳定及抗震分析方面，计算规模庞大并且非连续的细部模拟异常复杂。其他引进的现代数值计算方法，如离散元法、 DDA 、数值流形代表的非连续数值分析方法，可以模拟结构的大变形和破坏全过程，一般用于破坏分析，但用于混凝土大坝设计的不多。 我国的拱坝设计已达到世界先进水平。近期研究指出，改进混凝土坝安全评估方法的方向是改善坝体应力和稳定分析方法，使应力和稳定的计算结果更加符合实际，不在于是否采用可靠度理论，也不在于采用多项系数法；我国特高拱坝的抗压安全系数偏低，应适当提高混凝土坝抗裂安全系数，并提出了一套完整的决定抗裂安全系数的理论和方法。上述建议值得重视。 小湾高拱坝混凝土设计指标（ C 180 40F 90 250W 90 14 ）高，通过选择合适的砂石骨料、采用 MgO 含量为 3.8 ％～ 5.0 ％的中热水泥、掺Ⅰ级粉煤灰、掺高效减水剂与优质引气剂等措施，配制出高强度、低热、低弹模、不收缩、高耐久的大坝混凝土，满足了设计要求，使用效果好。 2. 碾压混凝土筑坝技术 我国自 2